După cum se arată în Fig. 3, există trei tehnici dominante care urmăresc să ofere un singur cristal de SiC cu o calitate și eficiență înaltă: epitaxie în fază lichidă (LPE), transport fizic de vapori (PVT) și depunere chimică de vapori la temperatură înaltă (HTCVD). PVT este un proces bine stabilit pentru producerea monocristalului de SiC, care este utilizat pe scară largă în marii producători de napolitane.
Cu toate acestea, toate cele trei procese evoluează rapid și inovează. Nu este încă posibil să se stabilească ce proces va fi adoptat pe scară largă în viitor. În special, în ultimii ani a fost raportată un monocristal de SiC de înaltă calitate produs prin creșterea soluției într-un ritm considerabil, creșterea în vrac a SiC în faza lichidă necesită o temperatură mai scăzută decât cea a procesului de sublimare sau depunere și demonstrează excelența în producerea P substraturi de tip SiC (Tabelul 3) [33, 34].
Fig. 3: Schema a trei tehnici dominante de creștere a unui singur cristal de SiC: (a) epitaxie în fază lichidă; (b) transportul fizic al vaporilor; (c) depunere chimică de vapori la temperatură înaltă
Tabelul 3: Comparația dintre LPE, PVT și HTCVD pentru creșterea monocristalelor de SiC [33, 34]
Creșterea soluției este o tehnologie standard pentru prepararea semiconductorilor compuși [36]. Începând cu anii 1960, cercetătorii au încercat să dezvolte un cristal în soluție [37]. Odată dezvoltată tehnologia, suprasaturarea suprafeței de creștere poate fi bine controlată, ceea ce face ca metoda de soluție să fie o tehnologie promițătoare pentru obținerea de lingouri monocristal de înaltă calitate.
Pentru creșterea în soluție a monocristalului de SiC, sursa de Si provine din topitură de Si foarte pură, în timp ce creuzetul de grafit are două scopuri: încălzitor și sursă de solut C. Cristalele simple de SiC au mai multe șanse să crească sub raportul stoechiometric ideal atunci când raportul dintre C și Si este aproape de 1, indicând o densitate mai mică a defectelor [28]. Cu toate acestea, la presiunea atmosferică, SiC nu prezintă punct de topire și se descompune direct prin temperaturi de vaporizare care depășesc aproximativ 2.000 °C. Topiturile de SiC, conform așteptărilor teoretice, pot fi formate numai în condiții severe, se vede din diagrama de fază binară Si-C (Fig. 4) că la gradient de temperatură și sistemul de soluție. Cu cât este mai mare C în topitura de Si variază de la 1 at.% la 13at.%. Suprasaturarea C conducătoare, cu atât rata de creștere este mai rapidă, în timp ce forța C scăzută a creșterii este suprasaturația C, care este dominată de presiunea de 109 Pa și temperaturi peste 3.200 °C. Poate suprasaturarea produce o suprafață netedă [22, 36-38].temperaturi între 1.400 și 2.800 °C, solubilitatea C în topitura de Si variază de la 1at.% la 13at.%. Forța motrice a creșterii este suprasaturația C, care este dominată de gradientul de temperatură și sistemul de soluție. Cu cât suprasaturația C este mai mare, cu atât rata de creștere este mai rapidă, în timp ce suprasaturația C scăzută produce o suprafață netedă [22, 36-38].
Fig. 4: Diagrama de fază binară Si-C [40]
Dopajul elementelor de metal de tranziție sau elementelor din pământuri rare nu numai că scad în mod eficient temperatura de creștere, dar pare să fie singura modalitate de a îmbunătăți drastic solubilitatea carbonului în topirea Si. Adăugarea de metale din grupele de tranziție, cum ar fi Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], etc. sau metale pământuri rare, cum ar fi Ce [81], Y [82], Sc, etc. la topitura de Si permite solubilitatea carbonului să depăşesc 50at.% într-o stare apropiată de echilibrul termodinamic. Mai mult, tehnica LPE este favorabilă pentru dopajul de tip P a SiC, care poate fi realizată prin alierea de Al în
solvent [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Cu toate acestea, încorporarea de Al duce la o creștere a rezistivității monocristalelor de SiC de tip P [49, 56]. În afară de creșterea de tip N sub dopaj cu azot,
creșterea soluției are loc în general într-o atmosferă de gaz inert. Deși heliul (He) este mai scump decât argonul, el este favorizat de mulți savanți datorită vâscozității sale mai mici și conductivității termice mai mari (de 8 ori mai mare decât argonul) [85]. Rata de migrare și conținutul de Cr în 4H-SiC sunt similare în atmosfera He și Ar, s-a dovedit că creșterea sub Here rezultă într-o rată de creștere mai mare decât creșterea sub Ar datorită disipării mai mari a căldurii a suportului de semințe [68]. El împiedică formarea golurilor în interiorul cristalului crescut și nuclearea spontană în soluție, apoi se poate obține o morfologie de suprafață netedă [86].
Această lucrare a introdus dezvoltarea, aplicațiile și proprietățile dispozitivelor SiC și cele trei metode principale de creștere a monocristalului SiC. În secțiunile următoare, au fost revizuite tehnicile actuale de creștere a soluției și parametrii cheie corespunzători. În cele din urmă, a fost propusă o perspectivă care a discutat provocările și lucrările viitoare privind creșterea în vrac a monocristalelor de SiC prin metoda soluției.
Ora postării: Iul-01-2024